横浜のネリス女学院に通う女子高生・森田ゆかりは、 この夏休みに秘密の 計画を立てていた。 新婚旅行中に南の島で行方不明になった父・寛（ひろし） を探しに、 ひとりでソロモン諸島に行こうと言うのだ。 一方、アクシオ島にあるソロモン宇宙協会（SSA）では、新型ロケットLS7の 打ち上げがまたもや失敗。 本年度中に有人ロケットの打ち上げに成功 しなければ、予算打ち切り･･･という ピンチにおちいっていた。 脱走宇宙飛行士・安川とSSAのヘリとのカーチェイスに巻き込まれたゆかりは、 SSA所長の那須田勲（なすだいさお）と出会う。 そのときゆかりを見つめる那須田の目にあやしい光が･･･!?
SSAに連れてこられたゆかりは、父の捜索を手伝ってもらう代わりに｢サルでもできる簡単なバイトをしないか｣と、那須田に持ちかけられる。なんとなく引 き受けてしまったゆかりだが、実は｢簡単なバイト｣の正体は、宇宙飛行士だったのだ！ 謎の｢女王様｣医師・さつきによる様々な恥ずかしい医学検査と訓練の連続、実弾による射撃訓練、などの末、ゆかりは厚さ2ミリの宇宙服・スキンタイトスー ツだけを着させられ、ジャングルでの単独踏破訓練に放り出される事に。そして、ぼやきながら進むゆかりの前に、突然タリホ族の少女があらわれた。｢だ、 誰!?｣｢ほい、マツリだよ！｣｢に…日本語!?｣
意外な簡単さで、当初の目的であった父・寛(ひろし)との再会を果たしてしまったゆかり。だが勢いでオーケーした、｢SSAが有人宇宙飛行に成功したらふ たりで日本に帰る｣という寛との約束のせいで、引き続きマツリとともに宇宙飛行士としての訓練を続けるはめに。初対面の妹、身長体重は自分とほぼ同じはず なのに、なぜかナイスバディの野生の少女（？）マツリのマイペースぶりにふりまわされ、イライラがつのるばかりのゆかり。カンシャクを起こしたゆかりは、 ついに悪だくみを思いつくのだった。｢そっか！ 何もあたしが行かなくても打ち上げさえ成功すりゃあいいんだ！｣
奇人・変人ばかりと思っていたSSAメンバーたちの、意外な宇宙への熱意に触れるうち、しだいに宇宙飛行に本気になりはじめたゆかり。ある休日、ビーチに 繰り出したゆかりとマツリだが、ゆかりはふと目にはいったVAB(ロケット組立工場)のクリーンルームに水着のまま押し入ろうとして、乱闘騒ぎに…。そん なある日、ゆかりは、化学主任の素子(もとこ)が開発している新型ハイブリッド燃料の大爆発を目にする。なんと、燃焼試験は失敗の連続らしいのだ。猛然と 新型燃料開発に反対するゆかり。「何が会議の決定よ！ あたしはでっかい爆弾になんか乗りたくない！」
突然アクシオ島にあらわれた母・博子（ひろこ）にまるめこまれ、 渋々新型ハイブリッド燃料の使用をみとめたゆかり。 ついにSSAは日本初の有人ロケット打ち上げを発表。 つめかけた報道陣のカメラを通し、恥ずかしさをこらえるゆかりと、 てんで気にとめないマツリのあられもない（？） スキンタイトスーツ姿が世界をかけめぐる。 打ち上げに対しての緊張と、どこかうちとけきれない異母妹マツリへの わだかまりに、イライラがつのるゆかり。しかも、打ち上げ当日になって、 ロケットのシステムに異常が発見されてしまった･･･。
たびかさなる延期にがまんができず、打ち上げを強行させたゆかり。 しかし、ゆかりの乗るオービター（宇宙船）タンポポは、 予定の軌道からおおきくそれてしまっていた。 管制室が帰還プランを検討する中、さらに予想外のトラブルが発生。 ゆかりははじめての船外活動にまで挑戦するはめになってしまう。 広がる銀河の美しさに感動するゆかり。だが状況は絶望的だった。 生命維持装置が限界に近づくゆかり。｢こんなバイト、やめときゃよかった･･･｣ はたしてマツリたちに、ゆかりを救出する手段はあるのだろうか･･･!?
なんとか地球への帰還をはたしたゆかりとマツリ。だがふたりが目にしたのは、 オービターをびっしりと取り囲む女子高生の大群だった。 よりにもよってゆかりの母校、ネリス女学院の中庭に着水してしまったのだ！ うんざりするゆかり。さらには、宇宙実験用の金魚に不調が。 あせるゆかりに遠慮がちに声をかけたのは、見るからにおとなしそうな外見の、 優等生で知られる１年生の少女・三浦茜（みうらあかね）だった。 てきぱきと金魚を救う手際と、茜の澄んだ瞳に、 ゆかりは思わず基地へ見学に来ないかと誘ってしまう。
本当にゆかりを追ってアクシオ島にまでやって来てしまった茜。しかも、自分も宇宙飛行士になりたいと言うのだ。あせるゆかり。 約束の有人飛行を果たし、あとは父・寛をひったてて日本に帰ればOKだったはずのゆかりだが、取りあえず、茜をさつきたちの魔の手から守る為に、基地に残る事にする。 ずっと優等生で生きてきた自分の殻を破りたい。宇宙へ行きたい。想いをかたる茜。そんな茜の姿に、ゆかり・マツリも心を動かされ、きっと一緒に宇宙へ行こうと約束をする。･･･だが、茜の体力は、てんでダメであった。 はたしてこれで適性試験にパスできるのだろうか!?
茜の体力のなさに業を煮やした那須田は、ジャングル単独踏破訓練をこなせば合格、という乱暴なカケに出た。 邪魔が入らぬよう、茜は不合格になって日本へ帰ったという嘘を、さつきに知らされたゆかりは、すっかり落ち込んでしまう。 一方、茜は全力を尽くし、基地を目指してジャングルをさまよっていた。 だが、慣れない熱帯のジャングルの過酷さに、刻一刻と時間は過ぎていく。 食料もつき、空腹と疲労にとうとうへたり込んでしまう茜。 ｢ゆかり先輩、ごめんなさい。やっぱりあたしには無理でした･･･。｣
晴れてSSA第三の宇宙飛行士となった茜は、ゆかりとマツリとともに訓練に明け暮れる。 那須田は、宇宙飛行士が増えた事と二人乗りオービターを完成させた事によりSSAの機動力が向上した事をマスコミにアピールする。 同じ頃、はるか軌道上では、スペースシャトル・アトランティスが冥王星探査衛星オルフェウスの打ち上げトラブルに見まわれていた。 那須田は、これ幸いと、NASAに対して協力を申し出る。 SSAが誇る女子高生宇宙飛行士たちの、第2のミッションが動き始めたのだ！
冥王星探査衛星オルフェウスを救う為、ゆかりと茜は軌道上のスペースシャトル・アトランティスへと向かった。ふたりの見事な手際と、スキンタイト宇宙服の キュートさに 思わず見とれるシャトルの面々。しかし、ＮＡＳＡのミッションスペシャリスト・ノーマンは、助けられることをこころよく思わず、ゆかりといがみあう。 船体のすきまに入り込んだ コントロールバルブを回収するミッションが始まるが、バックパックがつかえて奥に進めない･･･ もうオルフェウスを救う方法は無いのだろうか? 「ゆかりさん、わたしにやらせて下さい」「･･･茜?!」。
相次ぐトラブルにより、オルフェウスは大幅に軌道をそれて発進してしまった。 オルフェウスを救うには、アポロ計画以来前人未踏の高度3000キロメートルに挑戦するしかない! ゆかりと茜の決意に応える為、懸命にシミュレーションを繰り返し、プランを立てるＳＳＡとＮＡＳＡのスタッフ達。 そして、何もかもがイレギュラーな緊急ミッションが始まった。果たしてゆかりと茜はオルフェウスとのランデブーに成功し、地球へ帰還する事ができるのだろうか?
